基于AHP-EGM法的岩巷爆破质量评价研究★

2022-05-25张召冉夏雨欣项方备

山西建筑 2022年11期

张召冉，夏雨欣，项方备，周环

(1.北方工业大学土木工程学院,北京 100144; 2.北京仁达房地产土地资产评估有限公司,北京 100044)

1 概述

岩石巷道爆破掘进是煤矿开采中的重要生产环节之一,其爆破效果直接影响爆破施工成本、施工效率和支护成本等,进一步影响巷道的稳定性、耐久性和生产安全性。因此,对爆破质量进行客观合理的综合评价有利于后续工作的高效开展,并且对提升作业水平和节约生产成本具有重大意义。在岩石巷道爆破施工质量评价过程中,施工单位往往采用单循环进尺、炮眼利用率等少数指标对爆破质量进行判断。由于指标单一,不够全面,所以容易导致评价结果片面、准确性稍差,并且无法显示各影响因素之间的重要程度[1]。相关研究已经表明,层次分析法(AHP法)在众多主观评价方法中具有明显优势[2],同时利用相关专家的知识和工程经验进行打分(EGM法),也相对简单可行。所以,结合两种方法建立岩巷爆破质量综合评价模型,并以某煤矿巷道为例进行爆破质量评价,验证该模型的合理性及可靠性。

2 岩巷爆破质量综合评价模型的建立

2.1 岩巷爆破质量评价指标体系的建立

岩巷爆破质量的好坏是多种因素共同作用的结果,各个影响因素之间存在着密不可分的联系。因此,反映爆破质量的评价指标种类繁多且存在复杂的因果关系。应用AHP法构建层次结构模型首先需要确定目标,然后围绕此目标寻找影响因素,理顺它们之间的内在关系,最后用结构层次表现各因素和其相互关系,完成层次结构模型的建立。通过走访调查多个煤矿的现场施工,结合相关施工技术资料,再以调查问卷的形式向煤矿岩巷爆破专家征求意见,将岩巷爆破质量评价指标分为3个一级综合评价指标和13个二级综合评价指标,如图1所示。具体分析如下:

C1岩渣块度:岩渣块度是评价爆破质量的重要指标,岩渣块度过大,不仅阻碍后续铲装作业的顺利开展,还因为破碎程度不达标需进行二次破碎而增加生产成本;岩渣块度过小,伴随而来的是穿孔量、炸药单耗的增加,间接增加成本[3]。

C2炸药单耗:随着炸药单耗的增大,巷道岩石的破碎程度逐渐趋于理想,并且抛掷距离也更有利于清渣,从而提高岩巷的爆破质量。但过大的炸药单耗增加了掘进和支护的难度,将会为项目经济效益带来负面影响。

C3炮孔利用率:爆破成本随着炮孔利用率的提高而降低,施工效率随着炮孔利用率的提高而提高。

C4单循环进尺:单循环进尺过小说明爆破未达到预期目标,爆破质量差;单循环进尺过大,开挖施工中普遍认为超挖量也会越大,威胁围岩质量。

C5迎头平整度:迎头的平整程度影响炮孔利用率的大小,可能会浪费有效钻孔量。同时,下一次爆破钻孔位置受制于迎头平整度,其程度将极大地影响钻孔施工难度。

C6瞎炮数目:爆破的关键在于全部装药是否均起爆完全。瞎炮的产生将会通过影响循环进尺而影响施工效率,而且处理瞎炮对施工人员的生命安全存在极大威胁。

C7抛掷距离:抛掷距离主要影响清矸工作和安全施工。抛掷距离过大将会对现场施工人员和巷道内的设备造成直接的物理伤害,同时扰动也会对巷道的稳定性产生影响。

C8爆破震动:爆破震动过大将会一定程度上损伤围岩,从而降低巷道运行的安全程度。不仅如此,地表构筑物也会因过大的震动而晃动,安全性受到威胁。

C9空气冲击波:空气冲击波主要直接影响内部设备、设施,对其安全距离的计算和控制关系着现场每位施工人员的生命安全。

C10粉尘噪声及有毒气体:岩巷爆破时会产生大量的粉尘、噪声和有毒气体,对施工人员的身体健康和周边环境有极大的负面影响,国家要求其产出量越低越好。

C11超欠挖量:超挖将造成局部应力集中,增大围岩的塑性区,进而造成围岩变形加剧;当欠挖量超过标准范围时,将会增加扰动次数,增大围岩的不稳定性。

C12轮廓平顺度:在实际生产中,爆破精度控制的越好,爆破后形成的轮廓线将会越接近设计要求,所以轮廓平顺度是反映爆破对围岩影响程度的重要指标,可以体现爆破质量。

C13眼痕率:眼痕率越高,爆破质量越好。眼痕率的高低反映了周边孔爆破参数设计的好坏程度。

2.2 层次分析法计算过程

1)构造判断矩阵标度。

评价指标确立后,需要构造比较判断矩阵。通过引入恰当的数字标度,将各层指标两两比较,就可以形成所需的判断矩阵。利用判断矩阵可以比较本层指标对上一层级指标的相对重要性,最终计算出本层指标对目标的相对重要程度。

本文采用常见的判断矩阵形式:对于n个因素来说,得到比较判断矩阵A=(Cij)n×n。其中Cij表示因素i和j相对于目标的重要程度,其量化主要是通过1～9及其倒数标度方法来实现的,标度极差为2[4],取值标准如表1所示。

表1 Cij取值标准

2)建立各级指标的判断矩阵。

根据对岩巷爆破质量评价指标的分析和上文所建立的判断矩阵标度,结合岩巷钻爆法实际施工情况,征求多位专家的意见,邀请实际施工人员参与评价,建立各级指标之间的两两判断矩阵。

3)权重向量计算。

4)判断矩阵的一致性检验。

2.3 爆破质量综合评价

第K个专家的一级评价指标评分值为:

(1)

第K个专家的岩巷钻爆法爆破质量综合评价得分为:

Fk=WEk

(2)

其中,W为一级指标对目标的权重；Ek为评价权向量，Ek=(E1k,E2k,E3k)T。

该岩巷爆破质量的最终评分为:

(3)

3 岩巷爆破质量综合评价模型的应用

3.1 工程概况

某巷道设计长度为1 604.7 m,巷道施工区域(煤)岩层倾角4°～8°,主要构造有断层和小褶曲,次生构造有滑面和裂隙。施工段岩性主要为粉砂岩、粉细砂岩、中细砂岩、细砂岩、1煤等[5]。该巷道为直墙半圆拱形断面,采用锚网索喷支护,断面为5 400 mm(宽)×4 300 mmm(高),锚网喷支护掘进断面积21.3 m2、净断面积18.9 m2。本区属于地温异常区,该水平地温为36 ℃～38 ℃。施工期间的主要水害为砂岩裂隙水及钻孔水等。

3.2 某巷道爆破质量评价指标体系的建立

1)构造判断矩阵。

根据对该巷道实际爆破效果的分析和项目预期实现的爆破目标,结合上述判断矩阵标度,经过多位专家的反复修正,建立了各级指标之间的两两因素判断矩阵[6],见表2～表5。

表2 一级指标两两判断矩阵

表3 “技术经济”指标两两判断矩阵

表4 “安全施工”指标两两判断矩阵

表5 “围岩保护”指标两两判断矩阵

2)确定评价指标权重。

应用2.2中的权重向量计算方法计算各级评价指标在其层次内的权重,反映下一层各评价指标因素对上一层某评价指标的相对重要程度,即为层次单排序。然后逐层进行一致性检验,确保达到满意的一致性。最后,某指标的权重与其对应目标层的权重相乘,得到各个爆破质量综合评价指标的总权重。结果表明,安全施工在一级评价指标中占比最大;单循环进尺对技术经济影响程度最大,瞎炮数目在安全施工中占比最大,超欠挖量在围岩保护中占比最大，具体见表6。

表6 各级爆破质量评价指标对目标层A的权重

3.3 建立评价样本矩阵及评价结果

评价岩巷的爆破质量是一个涉及多层次、多种因素的全方位评价过程,结合岩巷的实际情况和评价工作的实际需要,将评价指标的评分等级设定为低、较低、中、较高和高,其分别对应的分值区间见表7。

表7 评分等级

五位专家根据岩巷爆破质量综合评价指标体系和评分等级对上述巷道的爆破质量进行评价,其按评分标准对爆破质量的某二级评价指标给出的评分dijk,组成了该岩巷爆破质量的二级评价指标的评价矩阵D:

计算得出五位专家对该岩巷的综合评分分别为61.066,74.683,73.872,74.427,70.042,该岩巷爆破质量的最终得分为70.818分,说明爆破效果属于中等水平,仍需改进爆破施工工艺,提高爆破水平。根据现场勘察和调研的情况,本文构建的评价指标体系所计算出的评价结果与实际情况相符,具有一定的数据可信度[7-8]。